JP2015115091A - 固体酸化物形燃料電池システム及びその製造方法 - Google Patents

固体酸化物形燃料電池システム及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池システムの運転時の温度効率を高めると共に、生産性を向上させる。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で使用するものと、比較的低い温度領域で使用するものとに分けて、それぞれブロック化すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層１９を形成した。具体的には、固体酸化物形燃料電池６と燃焼部２３と改質器４とで第１ブロック１７を構成し、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する内部排ガス熱交換器８と、排ガス（内部排ガス熱交換器８）の熱を利用して固体酸化物形燃料電池６に供給される空気を加熱する空気熱交換器５と、原料ガスに含まれる硫黄成分を排ガス（内部排ガス熱交換器８）の熱を利用して水添脱硫により除去する水添脱硫器３とで第２ブロック１８を構成した。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、炭化水素を含む原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器を備えた固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
一般に、原料ガスとして炭化水素を用いて水蒸気改質を行う固体酸化物形燃料電池システムでは、水蒸気改質に水蒸気改質触媒が用いられ、この水蒸気改質触媒が、原料ガス中に付臭剤として含まれる硫黄化合物によって、劣化してしまうのを防止するために、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を低減させる脱硫器を備えている。
脱硫器としては、例えば、硫黄化合物を触媒（Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｃｏ−Ｍｏ系）上で水素と反応させて硫化水素に変換し、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する、いわゆる水添脱硫法により脱硫を行なう水添脱硫器が挙げられる。
水添脱硫器は、水添脱硫法により脱硫を行なう際に水素を必要とするが、原料ガス中には通常、水素が含まれていないので、水素を水添脱硫器に供給する構成を有した固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
なお、水添脱硫器に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる（例えば、特許文献３）。
特許文献１に開示された固体酸化物形燃料電池システムでは、図８に示すように、改質器１１０を流通した改質ガスの一部が、リサイクルガス供給経路１１３を通じて、昇圧手段１１１の上流側に戻され、その戻された改質ガスが、原料ガスと混合されて昇圧手段１１１により昇圧され脱硫器１１２に供給される。
特許文献２に開示された固体酸化物形燃料電池システムでは、図９に示すように、混合器２２０で混合された水と脱硫後の原料ガスとが、蒸発器２２６を経て改質器２０６に供給され、蒸発器２２６を通過した水蒸気を含む脱硫後の原料ガスの一部が分岐戻し流路２４２を介して、脱硫器２０４の上流の燃料ガス供給経路２１６に戻される。
ここで、分岐戻し流路２４２の二重管２４４内には、炭化水素改質触媒が設けられており、これによって炭化水素を改質して得た水素含有ガスを、昇圧器２１７の上流側に戻すことができる。そして、戻された水素含有ガスを昇圧器２１７で昇圧させ、脱硫器２０４に供給する。
特開２０１１−２１６３０８号公報 特許第４９１１９２７号公報 特許第２９９３５０７号公報
しかしながら特許文献１、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、燃焼・改質を行うのに適した温度領域と、空気の予熱・水添脱硫に適した温度領域とに差があり、その管理が困難であった。
また、従来の構成では、製造ラインにおいて燃料電池システムを組み立てる際には、１本の製造ラインにおいて各構成部品を１つずつ順番に組み立てることが一般的であり、組み立て完了までに時間がかかり、生産性が悪いという課題を有していた。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高めるとともに、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できるように構成された固体酸化物形燃料電池システム及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記課題を解決するために、発電で消費されずに固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスから前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器とを第１ブロックに内蔵し、前記排ガスの熱を放熱する排ガス熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、前記水添脱硫器とを第２ブロックに内蔵し、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、熱伝導を抑制する伝熱抑制層を形成したのである。
上記構成で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層を形成したことにより、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高めるとともに、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、上記課題を解決するために、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部を内蔵した第１ブロックと、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器を内蔵した第２ブロックとを接続するブロック間接続工程と、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層を設ける工程と、を有する。
上記方法で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化して製造すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層を設けたことにより、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高めるとともに、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムと、その製造方法は、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高めるとともに、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの縦断面の一例を模式的に示した縦断面図 本発明の実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの縦断面と原料ガス、空気、排ガスの流れの一例を模式的に示した説明図 本発明の実施の形態１の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの縦断面と原料ガス、空気、排ガスの流れの一例を模式的に示した説明図 本発明の実施の形態１の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムにおける第２ブロックが配置されている部分での横断面の一例を模式的に示した横断面図 本発明の実施の形態１の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムの縦断面と原料ガス、空気、排ガスの流れの一例を模式的に示した説明図 本発明の実施の形態１の変形例３に係る固体酸化物形燃料電池システムの縦断面と原料ガス、空気、排ガスの流れの一例を模式的に示した説明図 本発明の実施の形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの第１ブロックと第２ブロックとが接続されていない状態の外観の一例を示す外観斜視図 本発明の実施の形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造工程の一例を示した工程図 本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの外部配管接続を含めた構成の縦断面の一例を示した説明図 本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの外部配管接続を含めた構成の縦断面の他の例を示した説明図 本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの上部の配管接続の一例を平面図と正面図で示した説明図 本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの上部の配管接続の他の例を平面図と正面図で示した説明図 本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの上部の配管接続の比較例を平面図と正面図で示した説明図 特許文献１に開示された従来の固体酸化物形燃料電池システムの縦断面を模式的に示した縦断面図 特許文献２に開示された従来の固体酸化物形燃料電池システムの概略構成を示した概略構成図
以下、本発明の態様を具体的に説明するに先立ち、本願発明者が本発明の態様を得るに至った経緯について説明する。
固体酸化物形燃料電池システムは、一般に、供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、発電で消費されずに前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器と、前記排ガスの熱を利用して前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスから前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器とで構成される。
固体酸化物形燃料電池システムの発電時の温度は、一般的に６００〜８００℃程度である。この排熱を利用して原料ガスの改質、空気の予熱を行うことが広く行われている。
固体酸化物形燃料電池システムの小型化、組立性の向上を図るには、水添脱硫器を、固体酸化物形燃料電池、燃焼部、空気熱交換器、改質器と共に共にモジュール化するのが有効である。
固体酸化物形燃料電池、燃焼部、空気熱交換器、改質器、水添脱硫器をモジュール化し
た場合、各処理を行うのに適した温度領域に調整できるようにブロック化して、それぞれのブロックを複数の製造ラインで並行して組み立て作業を行うことで、組み立て性と生産性を向上することができる。
本発明では、以下に示す態様を提供する。
第１の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、発電で消費されずに前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する排ガス熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器と、前記排ガスの熱を利用して、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスから前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器と、を備え、前記改質器及び前記燃焼部は、第１ブロックの内部に収容され、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器は、第２ブロックの内部に収容され、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層を有するものである。
上記構成で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層を形成したことにより、具体的には、発電時に概ね６００〜８００℃の温度域で動作する燃焼部と改質器で第１ブロックを構成し、それより低温域で動作する空気熱交換器と水添脱硫器と排ガス熱交換器で第２ブロックを構成したことにより、各構成要素の温度ムラが少なくなり、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高め、システムの効率化を図ることができるとともに、２つのブロックに分けて構成したため、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
また、伝熱抑制層を適切に形成することにより、第１ブロックの筐体の熱を第２ブロックの筐体に、適度に伝えることができる。
また、伝熱抑制層に比較的断熱性に優れた断熱材を用いた場合は、第１ブロックと第２ブロックとの間隔を比較的狭くすることができる。
第２の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第１の発明における固体酸化物形燃料電池が、前記第１ブロックの内部に収容されているものである。
固体酸化物形燃料電池の動作温度は７００〜１０００℃を必要とするので、第１ブロックの内部に収容されることが、望ましい。この場合、第１ブロックの筐体からの熱の反射により、固体酸化物形燃料電池を構成するセルスタック集合体の温度バラツキを低減することができる。
第３の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第２の発明において、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスを前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とが、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の前記伝熱抑制層を貫通しているものである。
第１ブロックと第２ブロックとの間で、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスを前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とを、それぞれ配管接続する必要があるが、それらのブロック間の接続配管が、第１ブロックと第２ブロックとで挟まれた部分に配置され、ブロック間の接続配管を、第１ブロックと第２ブロックにおける互いに対向する面以外の面に露出させず、ブロックの外に露出する配管の長さを短くできるので、各経路を短くでき、各経路の通路抵抗を小さく、また各経路の熱のロスを少なくできる。また、固体酸化物形燃料電池システムをコンパクトに構成できる。
第４の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第１から第３のいずれかの発明において、前記第１ブロックと前記第２ブロックとは、重力方向に上下に並ぶように配置されているものであり、重力方向に上下に並ぶように配置しない場合と比較して、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくできる。
第５の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第４の発明において、前記第２ブロックは、前記第１ブロックの重力方向の上方に配置されているものである。
加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇するので、第１ブロック内の燃焼部の燃焼により発生する排ガスを第２ブロック内の排ガス熱交換器に効率よく導くことができ、また、第１ブロックで発生する熱を第２ブロックに効率よく伝熱させることができる。
また、第１ブロックは第２ブロックよりも重いこと、また、第１ブロックの設置面積は第２ブロックよりも広いこと、第２ブロックの水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給経路に第１ブロックの改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路を接続する場合の作業性から、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置した方が、第１ブロックを第２ブロックの重力方向の上方に配置するよりも都合が良い。
第６の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第５の発明において、前記第１ブロックまたは前記第２ブロックを外気から断熱する断熱層の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部が、それぞれ、前記第２ブロックの上方に上下方向に延びるように配置されているものである。
原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部を固体酸化物形燃料電池システムの上面（天井面）または下面（底面）から上下方向に延びるように上下に突出させた方が、原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部を固体酸化物形燃料電池システムの側面から横出しする場合（図７ｅ参照）よりも、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくすることができる。
また、外部接続口を上から出した方が、下から出す場合よりも、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置することと、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
第７の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第１から第６のいずれかの発明において、前記排ガス熱交換器及び前記空気熱交換器が、互いに熱交換可能に隣接して配置され、前記排ガス熱交換器及び前記水添脱硫器が、互いに熱交換可能に隣接して配置されているものである。
上記構成により、排ガス熱交換器を介して、燃焼部の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器と水添脱硫器の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形
燃料電池に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができ、また、第２ブロックをコンパクトに構成することができる。
なお、隣接の方向としては、上下方向の隣接や、水平方向の隣接が好ましいが、その他の方向の隣接であっても構わない。
第８の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第７の発明において、前記排ガス熱交換器が、前記空気熱交換器と前記水添脱硫器との間に配置されているものである。
上記構成により、排ガス熱交換器の表面積を有効に利用して（排ガス熱交換器の表面からの無駄になる放熱を少なくして）、排ガス熱交換器を介して、燃焼部の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器と水添脱硫器の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形燃料電池に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができ、また、第２ブロックをコンパクトに構成することができる。
なお、隣接の方向としては、上下方向の隣接や、水平方向の隣接が好ましいが、その他の方向の隣接であっても構わない。
第９の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第７の発明において、前記排ガス熱交換器が、前記第１ブロックと、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器との間で、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器と熱交換可能に配置されているものである。
上記構成により、加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇することを有効に利用して、排ガス熱交換器を介して、燃焼部の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器と水添脱硫器の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形燃料電池に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができる。
また、伝熱抑制層を適切に形成して、第１ブロックの筐体から第２ブロックの筐体を介して排ガス熱交換器に伝わる熱を、排ガス熱交換器を介して、固体酸化物形燃料電池に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器による原料ガスの水添脱硫とに、有効に利用することができ、その場合は、第１ブロックと第２ブロックとの間隔を比較的狭くしたり、伝熱抑制層に比較的断熱性に劣る材料を使用したりすることができる。
なお、排ガス熱交換器の下面が第２ブロックの筐体と接触している場合は、排ガス熱交換器の下面側から無駄に放熱することを抑制するために、第２ブロックの筐体における排ガス熱交換器の下面と接触する部分の温度が、排ガス熱交換器の下面側の表面温度よりも低くならないようにすることが望ましい。
第１０の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、発電で消費されずに前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する排ガス熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、前記排ガスの熱を利用して、供給された原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱
硫器と、前記排ガスの熱を利用して、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムの製造方法であって、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部を内蔵した第１ブロックと、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器を内蔵した第２ブロックとを接続するブロック間接続工程と、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層を設ける工程と、を有するものである。
上記方法で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化して製造すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層を設けたことにより、具体的には、発電時に概ね６００〜８００℃の温度域で動作する燃焼部と固体酸化物形燃料電池と改質器で第１ブロックを構成し、それより低温域で動作する空気熱交換器と水添脱硫器と排ガス熱交換器で第２ブロックを構成したことにより、各構成要素の温度ムラが少なくなり、水添脱硫器によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高め、システムの効率化を図ることができるとともに、２つのブロックに分けて構成したため、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
例えば、製造ラインにおいて、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロックを第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロックと第２ブロックとの接続を行った後に、第１ブロックと第２ブロックとの間に伝熱抑制層（断熱材）を配置するなどして、第１ブロックと第２ブロックとの間に伝熱抑制層を設ける（形成する）ことで、組立性と生産性を向上することができる。
また、サブ製造ラインで第２ブロックの組立が完成した時点で、組立検査を行うことができるので仮に不具合が見つかった場合でも、第２ブロックの組み直しで解決することができるので、組み直しの時間が短縮でき、生産性を向上することができる。
第１１の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、第１０の発明における前記ブロック間接続工程において、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料を前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とを、前記第１ブロックと前記第２ブロックとに挟まれる箇所で接続するものである。
第１ブロックと第２ブロックとの間で、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスを前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とを、それぞれ配管接続する必要があるが、それらのブロック間の接続配管が、第１ブロックと第２ブロックとで挟まれた部分に配置され、ブロック間の接続配管を、第１ブロックと第２ブロックにおける互いに対向する面以外の面に露出させず、ブロックの外に露出する配管の長さを短くできるので、各経路を短くでき、各経路の通路抵抗を小さく、また各経路の熱のロスを少なくできる。また、固体酸化物形燃料電池システムをコンパクトに構成できる。また、各経路の接続条件（環境）に共通点が多いので、組立性と生産性を向上させることができる。
第１２の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、第１０または第１１の発明において、前記ブロック間接続工程の前に、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部の外側に前記第１ブロックの筐体を配置、もしくは前記排ガス熱交換器
、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器の外側に前記第２ブロックの筐体を配置してから、前記第１ブロックと前記第２ブロックのどちらか先に配置した方の重力方向の上方に、前記第１ブロックと前記第２ブロックのどちらか他方を配置する配置工程を有するものである。
これにより、第１ブロックと第２ブロックとは、重力方向に上下に並ぶように配置されるので、重力方向に上下に並ぶように配置しない場合と比較して、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくできる。
また、先に配置する（下側に配置する）ブロックは、ブロックに内蔵する構成要素の外側にブロックの筐体を配置する手法で組み立てるので、組立性と生産性に優れる。
また、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置する場合は、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロックを第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、逆に、第１ブロックを第２ブロックの重力方向の上方に配置する場合は、サブ製造ラインで組み立てられた第１ブロックを第２ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロックと第２ブロックを重力方向に上下に並ぶように配置することで、組立性と生産性を向上することができる。
第１３の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、第１０または第１１の発明において、前記ブロック間接続工程の前に、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部の外側に前記第１ブロックの筐体を配置してから、前記第１ブロックの重力方向の上方に、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器が内蔵された前記第２ブロックを配置する配置工程を有するものである。
この製造方法により、第２ブロックは、第１ブロックの重力方向の上方に配置されることとなる。
加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇するので、第１ブロック内の燃焼部の燃焼により発生する排ガスを第２ブロック内の排ガス熱交換器に効率よく導くことができ、また、第１ブロックで発生する熱を第２ブロックに効率よく伝熱させることができる。
また、第１ブロックは第２ブロックよりも重いこと、また、第１ブロックの設置面積は第２ブロックよりも広いこと、第２ブロックの水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給経路に第１ブロックの改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路を接続する場合の作業性から、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置した方が、第１ブロックを第２ブロックの重力方向の上方に配置するよりも都合が良い。
また、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロックを第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置することで、組立性と生産性を向上することができる。
第１４の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、第１３の発明に加えて、前記第１ブロックと前記第２ブロックの外周を断熱層で覆う工程と、前記第２ブロックの上方に上下方向に延びて前記断熱層の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部に、前記第２ブロックへ原料ガスを供給する原料ガス供給経路、前記第２ブロックへ空気を供給する空気供給経路、前記第２ブロックから排ガスを排出する排ガス排出経路を接続する外部接続工程とを有するものである。
原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部を固体酸
化物形燃料電池システムの上面（天井面）または下面（底面）から上下方向に延びるように上下に突出させた方が、原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部を固体酸化物形燃料電池システムの側面から横出しする場合（図７ｅ参照）よりも、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくすることができる。
また、外部接続口を上から出した方が、下から出す場合よりも、第２ブロックを第１ブロックの重力方向の上方に配置することと、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
なお、第２ブロックの水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給経路に第１ブロックの改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路を接続する場合は、リサイクル経路が第１ブロックの上面から上方に延びて第２ブロックの横の断熱層を上下方向に貫通して、リサイクル経路の外部接続部が、固体酸化物形燃料電池システムの上面（天井面）から上に突出するように設けると、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の符号を付して、その説明については省略する。
（実施の形態１）
以下、図１ａと図１ｂを参照して本発明の実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１ａは、本発明の実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムを、原料ガス、空気、排ガスの各経路と、改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路が分かるように縦に切断した縦断面の一例を模式的に示した縦断面図であり、図１ｂは、図１ａに、原料ガス、空気、排ガス、改質ガスの流れる方向を示す矢印を書き加えた説明図である。
図１ａに示すように、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池６と、発電で消費されずに固体酸化物形燃料電池６から排出された燃料を、空気と混合して燃焼する燃焼部２３と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する内部排ガス熱交換器８と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気を加熱する空気熱交換器５と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器３と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスから固体酸化物形燃料電池６に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器４と、を備えている。
そして、固体酸化物形燃料電池６、改質器４及び燃焼部２３は、第１ブロック１７の内部に収容され、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３は、第２ブロック１８の内部に収容され、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間に、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層１９を有しており、第１ブロック１７と第２ブロック１８と伝熱抑制層１９は、固体酸化物形燃料電池システム本体の筐体（容器）７の内部に、それらの外周面を覆って外気と断熱する断熱層２０と共に収容している。
なお、伝熱抑制層１９、断熱層２０を構成する部材は、使用環境に耐えられて熱伝導を抑えることができる部材であれば特に限定するものではなく、例えば、一般的な断熱材を用いることができる。
燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とは、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間の伝熱抑制層１９を貫通している。
そして、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く排ガス経路の内部接続部２１ｂと、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する空気経路の内部接続部２１ａと、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃとは、第１ブロック１７と第２ブロック１８とに挟まれている部分に配置されている。
排ガス経路の内部接続部２１ｂにおいて第１ブロック１７側の排ガス経路と第２ブロック１８側の排ガス経路とが連結（接続）され、空気経路の内部接続部２１ａにおいて第１ブロック１７側の空気経路と第２ブロック１８側の空気経路とが連結（接続）され、脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃにおいて第１ブロック１７側の脱硫後原料ガス経路と第２ブロック１８側の脱硫後原料ガス経路とが連結（接続）されている。
第１ブロック１７と第２ブロック１８とは、重力方向に上下に並ぶように配置されており、第２ブロック１８は、第１ブロック１７の重力方向の上方に配置されている。
第１ブロック１７または第２ブロック１８を外気から断熱する断熱層２０及び筐体（容器）７の外側に露出する、原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂの各接続口が、それぞれ、第２ブロック１８の上方に上下方向に延びるように配置されている。
また、原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂ、改質器４で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路の外部接続部２２ｄが、それぞれ、固体酸化物形燃料電池システム本体の筐体（容器）７の上面（天井面）に上方に突出するように設けられる。
第１ブロック１７における、排ガス経路の内部接続部２１ｂで接続される排ガス排出口と、空気経路の内部接続部２１ａで接続される空気供給口（空気吸込口、空気取入口）と、脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃで接続される脱硫後原料ガス供給口（脱硫後原料ガス吸込口、脱硫後原料ガス取入口）と、リサイクル経路の改質ガス排出口とは、第１ブロック１７の筐体の上面（天井面）に上方に突出するように設けられる。
また、内部排ガス熱交換器８で放熱した排ガスを排ガス経路の外部接続部２２ｂに導く排ガス経路と、空気経路の外部接続部２２ａからの空気を空気熱交換器５に導く空気経路と、原料ガス経路の外部接続部２２ｃからの原料ガスを水添脱硫器３に導く原料ガス経路の、それぞれの配管は、第２ブロック１８の筐体の上面（天井面）から上方に突出している。
また、排ガス経路の内部接続部２１ｂからの排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く排ガス経路と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃに導く脱硫後原料ガス経路と、空気熱交換器５で加熱された空気を空気経路の内部接続部２１ａに導く空気経路の、それぞれの配管は、第２ブロック１８の筐体の下面（底面）から下方に突出している。
また、第１ブロック１７の筐体の上面（天井面）に上方に突出するように設けられたリサイクル経路の改質ガス排出口と、固体酸化物形燃料電池システム本体の筐体（容器）７の上面（天井面）に上方に突出するように設けられたリサイクル経路の外部接続部２２ｄとの間には、外周面を断熱層２０で覆われたリサイクル経路の配管が設けられている。
また、一端がリサイクル経路の外部接続部２２ｄに連結（接続）されたリサイクル経路の外部配管の他端は、固体酸化物形燃料電池システム本体の筐体（容器）７の上面（天井面）の上方において、一端が原料ガス経路の外部接続部２２ｃに連結（接続）された外部原料ガス経路１の配管に連通している。
また、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５は、互いに熱交換可能に隣接して配置され、内部排ガス熱交換器８及び水添脱硫器３は、互いに熱交換可能に上下方向に隣接して配置されており、内部排ガス熱交換器８は、空気熱交換器５と水添脱硫器３との間に挟まれており、下から上に向かって、空気熱交換器５、内部排ガス熱交換器８、水添脱硫器３の順に配置されている。
以上のように構成された本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの動作について図１ｂを用いて説明する。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池システム本体の筐体（容器）７の外部から供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を、水添脱硫器３で除去する。
水添脱硫器３に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤を用いることができる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができれば、この脱硫剤に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。
Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤を水添脱硫器３に用いた場合には、水添脱硫器３は３５０〜４００℃の温度範囲にて、原料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、水添脱硫器３は、生成したＨ2Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。
以上のようにして水添脱硫器３によって脱硫された原料ガスは、改質器４へと供給される。
次に改質器４について説明する。改質器４は、脱硫された原料ガスに改質水経路を通じて供給された水（改質水）を混合させた後、改質触媒を用いて改質を行い、水素リッチな改質ガス（燃料）を固体酸化物形燃料電池６に供給するものである。
改質触媒としては、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し担持したものや、Ａｌ2Ｏ3の球体表面にルテニウムを付与したもの等を適宜用いることができる。改質器４の温度が例えば、６００℃以上になれば、水蒸気改質反応に必要な熱量を排ガスの有する熱及び燃焼部２３からの輻射熱だけで補うことが可能となり、水蒸気改質反応のみの運転に切り替えることができるので、改質器４、固体酸化物形燃料電池６等を第１ブロック１７に設けると、温度域が近いものが近接するので有利である。
空気熱交換器５は固体酸化物形燃料電池６での発電反応に利用される空気（発電用空気）を加熱するためのものであり、燃焼部２３と対向する位置に設けられる。空気熱交換器５は、外部空気経路１０を通じて外部から供給された空気（発電用空気）を、燃焼部２３
での燃焼により生じた排ガス及び燃焼部２３の輻射熱との熱交換により加熱され、空気熱交換器５を流通した後の空気は、発電反応を効率よく行える高温域まで加熱される。そして、この加熱された空気が固体酸化物形燃料電池６へと供給される。なお、詳細は後述するが、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５を介して空気との熱交換を行って保有する熱の一部が奪われた排ガスは、外部排ガス経路１２を通じて外部排ガス熱交換器９に導かれるように構成されている。
固体酸化物形燃料電池６は、上述したように改質器４から燃料ガス供給経路１５を通じて供給された改質ガス（燃料）と、外部空気経路１０を通じて供給された空気（発電用空気）とを用いて発電反応により発電を行うものである。
すなわち、固体酸化物形燃料電池６では、改質ガス（燃料）が供給される燃料極および発電空気が供給される空気極を有し、燃料極と空気極との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、固体酸化物形燃料電池６は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としても構わない。
固体酸化物形燃料電池６を構成する燃料電池単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
また、実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池６へ向かう燃料ガス供給経路１５を途中で分岐させ、改質器４から供給される改質ガス（燃料）の一部を外部原料ガス経路１に戻すためのリサイクル経路１６が設けられている。このため、外部原料ガス経路１を流通し、水添脱硫器３へと供給される原料ガスに水素を添加することが可能となり、水添脱硫器３は、この水素を利用して前述の水添脱硫を行うことができるように構成されている。
空気熱交換器５は、下面（底面）の外側が伝熱抑制層１９で覆われ、下面（底面）以外の面の外側が断熱層２０で覆われた第２ブロック１８内に配置され、空気熱交換器５を流通する空気と伝熱領域との間で熱交換をする。そして、この熱交換により伝熱領域を冷却させて水添脱硫器３が過昇温になるのを防ぐのである。なお、伝熱領域とは、断熱層２０における水添脱硫器３と筐体（容器）７内部とによって挟まれた領域であって、筐体（容器）７内の熱を水添脱硫器３に伝える領域である。
実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムは、水添脱硫器３を第２ブロック１８中に設置することにより、高温の排ガスによって水添脱硫に適した温度まで加熱することができる構成である。
次に、燃焼部２３で生成された排ガスの流れについて説明する。具体的には、以下のように排ガスを流通させて水添脱硫器３の加熱を行う。
燃焼部２３で生成する排ガスの流量およびその温度については、固体酸化物形燃料電池６における改質ガス（燃料）及び空気（発電空気）の燃料利用率（発電反応により、燃料として固体酸化物形燃料電池６で消費される割合）を調整することにより、制御することが可能である。実施の形態１では、例えば、燃焼部２３の温度範囲を、約６００〜９００℃になるように、固体酸化物形燃料電池６における改質ガス（燃料）及び空気（発電空気）の燃料利用率を設定する。
このように温度範囲が設定された燃焼部２３において、発電で消費されずに固体酸化物形燃料電池６から排出された燃料（改質ガス）を、空気と混合して燃焼して生成された排ガスは、改質器４を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。さらに、熱の一部が消費された排ガスによって内部排ガス熱交換器８を介して空気熱交換器５を加熱する。この空気熱交換器５と内部排ガス熱交換器８による空気と排ガスとの熱交換によって、排ガスが有する熱がさらに奪われ、水添脱硫器３を加熱するのに適切な温度まで低下させられる。このように温度がさらに低下させられた排ガスは、内部排ガス経路１１を流通して、その熱が水添脱硫器３へ供給される。
すなわち、燃焼部２３で生成された排ガスの温度は、例えば約６００℃〜９００℃と高温である。しかし、この排ガスによって改質器４を加熱し、更に、空気熱交換器５と内部排ガス熱交換器８によって空気との熱交換を行い、この空気を加熱すれば、外部排ガス経路１２に到達するまでに排ガスの温度は低下する。
以上のように、内部排ガス経路１１を流通する排ガスの温度は、燃焼部２３の燃焼で生成する排ガスの流量と温度、改質器４に吸熱される熱量、および空気熱交換器５に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御されている。そして、内部排ガス経路１１に到達した排ガスは経路内を流通し、内部排ガス熱交換器８へと流通する。
次に、内部排ガス熱交換器８へ到達した際に所望される排ガス温度について説明する。水添脱硫器３に銅および亜鉛を含む脱硫剤を充填する構成の場合、水添脱硫器３に到達した際の排ガス温度が約１５０〜３５０℃となるように、燃焼部２３の燃焼で生成する排ガスの流量および温度、改質器４にて吸熱される熱量、ならびに空気熱交換器５にて吸熱される熱量等を調整する。
一方、水添脱硫器３において、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤を充填する場合では、水添脱硫器３に到達した際の排ガス温度が約３５０〜４５０℃になるように、燃焼部２３の燃焼で生成する排ガスの流量および温度、改質器４にて吸熱される熱量、ならびに空気熱交換器５にて吸熱される熱量を調整する。
このように、第２ブロック１８に水添脱硫器３を設置することにより、水添脱硫器３を、水添脱硫を行うのに適した所望の温度とすることができる。また、水添脱硫器３を経路中に設けた内部排ガス経路１１の少なくとも一部が断熱層２０に覆われるように設置する。このようにすれば、水添脱硫器３からの放熱を防ぐとともに筐体（容器）７内の５００〜６００℃の熱に水添脱硫器３が直接、曝されることを防ぐことができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムは、発電で消費されずに固体酸化物形燃料電池６から排出された燃料（改質ガス）を空気と混合して燃焼する燃焼部２３と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスから固体酸化物形燃料電池６に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器４とを第１ブロック１７に内蔵（第１ブロック１７の内部に収容）し、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する内部排ガス熱交換器８と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して固体酸化物形燃料電池６に供給される空気を加熱する空気熱交換器５と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して水添脱硫により除去する水添脱硫器３とを第２ブロック１８に内蔵（第２ブロック１８の内部に収容）し、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間に、熱伝導を抑制する伝熱抑制層１９を形成した（第１ブロック１７と第２ブロック１８との間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層１９を有する）ものである。
上記構成で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層１９を形成したことにより、具体的には、発電時に概ね６００〜８００℃の温度域で動作する燃焼部２３と改質器４とで第１ブロック１７を構成し、それより低温域で動作する空気熱交換器５と水添脱硫器３と内部排ガス熱交換器８とで第２ブロック１８を構成したことにより、各構成要素の温度ムラが少なくなり、水添脱硫器３によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高め、システムの効率化を図ることができるとともに、２つのブロックに分けて構成したため、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
また、伝熱抑制層１９を適切に形成することにより、第１ブロック１７の筐体の熱を第２ブロック１８の筐体に、適度に伝えることができる。
また、伝熱抑制層１９に比較的断熱性に優れた断熱材を用いた場合は、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間隔を比較的狭くすることができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池６が、第１ブロック１７の内部に収容されている。
固体酸化物形燃料電池６の動作温度は７００〜１０００℃を必要とするので、第１ブロック１７の内部に収容されることが、望ましい。この場合、第１ブロック１７の筐体からの熱の反射により、固体酸化物形燃料電池６を構成するセルスタック集合体の温度バラツキを低減することができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とが、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間の伝熱抑制層１９を貫通しているものである。
第１ブロック１７と第２ブロック１８との間で、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とを、それぞれ配管接続する必要があるが、それらのブロック間の接続配管が、第１ブロック１７と第２ブロック１８とで挟まれた部分に配置され、ブロック間の接続配管を、第１ブロック１７と第２ブロック１８における互いに対向する面以外の面に露出させず、ブロックの外に露出する配管の長さを短くできるので、各経路（内部排ガス経路１１、内部空気経路２４、脱硫後原料ガス経路１４）を短くでき、各経路（内部排ガス経路１１、内部空気経路２４、脱硫後原料ガス経路１４）の通路抵抗を小さく、また各経路（内部排ガス経路１１、内部空気経路２４、脱硫後原料ガス経路１４）の熱のロスを少なくできる。また、固体酸化物形燃料電池システムをコンパクトに構成できる。
実施の形態１の固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とを備えており、内部排ガス経路１１、内部空気経路２４及び脱硫後原料ガス経路１４が、第１ブロック１７と第２ブロック１８とで挟まれた部分に配置される構成であるので、サブ製造ラインで
組み立てられた第２ブロック１８を第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続を行うことが容易に行え、生産性が向上する。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、第１ブロック１７と第２ブロック１８とは、重力方向に上下に並ぶように配置されているので、重力方向に上下に並ぶように配置しない場合と比較して、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくすることができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、第２ブロック１８が、第１ブロック１７の重力方向の上方に配置されている。
加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇するので、第１ブロック１７内の燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを第２ブロック１８内の内部排ガス熱交換器８に効率よく導くことができ、また、第１ブロック１７で発生する熱を第２ブロック１８に効率よく伝熱させることができる。
また、第１ブロック１７は第２ブロック１８よりも重いこと、また、第１ブロック１７の設置面積は第２ブロック１８よりも広いこと、第２ブロック１８の水添脱硫器３に原料ガスを供給する外部原料ガス経路１に第１ブロック１７の改質器４で生成された改質ガス（燃料）の一部を戻すためのリサイクル経路１６を接続する場合の作業性から、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置した方が、第１ブロック１７を第２ブロック１８の重力方向の上方に配置するよりも都合が良い。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、第１ブロック１７または第２ブロック１８を外気から断熱する断熱層２０及び筐体（容器）７の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂの各接続口が、それぞれ、第２ブロック１８の上方に上下方向に延びるように配置されている。
原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂの各接続口を固体酸化物形燃料電池システムの上面（天井面）または下面（底面）から上下方向に延びるように上下に突出させた方が、原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂの各接続口を固体酸化物形燃料電池システムの側面から横出しする場合（図７ｅ参照）よりも、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくすることができる。
また、外部接続口（原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂ、リサイクル経路の外部接続部２２ｄの各接続口）を上から出した方が、下から出す場合よりも、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置することと、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５が、互いに熱交換可能に隣接して配置され、内部排ガス熱交換器８及び水添脱硫器３が、互いに熱交換可能に隣接して配置されている。
上記構成により、内部排ガス熱交換器８を介して、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器５と水添脱硫器３の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器４に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器３による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができ、また、第２ブロック１８をコンパクト
に構成することができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、内部排ガス熱交換器８が、空気熱交換器５と水添脱硫器３との間に配置されている。
上記構成により、内部排ガス熱交換器８の表面積を有効に利用して（内部排ガス熱交換器８の表面からの無駄になる放熱を少なくして）、内部排ガス熱交換器８を介して、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器５と水添脱硫器３の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器４に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器３による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができ、また、第２ブロック１８をコンパクトに構成することができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、下から上に向かって、第１ブロック１７、空気熱交換器５、内部排ガス熱交換器８、水添脱硫器３の順に配置したので、空気熱交換器５の温度を、水添脱硫器３の温度よりも高くすること（水添脱硫器３の温度が適温よりも高くなり過ぎないようにすると共に、固体酸化物形燃料電池６に供給する空気を充分に加熱すること）ができる。
なお、本実施の形態では、固体酸化物形燃料電池６が第１ブロック１７の内部に収容されている構成について説明したが、これに限定されない。例えば、固体酸化物形燃料電池６が第１ブロック１７の外側に配置されている構成であってもよい。
以下において、上記した構成を有する実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例（変形例１、２、３）について説明する。
（変形例１）
まず、実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例１について図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムを、原料ガス、空気、排ガスの各経路と、改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路が分かるように縦に切断した縦断面の一例を模式的に示した縦断面図に、原料ガス、空気、排ガス、改質ガスの流れる方向を示す矢印を書き加えた説明図である。
実施の形態１の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成と比較して、第２ブロック１８の構成が異なっている。
実施の形態１の変形例１に係る第２ブロック１８は、内部排ガス熱交換器８が、空気熱交換器５と水添脱硫器３との間に配置されている点と、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５が、互いに熱交換可能に隣接して配置され、内部排ガス熱交換器８及び水添脱硫器３が、互いに熱交換可能に隣接して配置されている点では、実施の形態１と同じであるが、実施の形態１では、下から上に向かって、空気熱交換器５、内部排ガス熱交換器８、水添脱硫器３の順に上下方向に縦並び状態になるように配置したのに対して、変形例１では、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５が水平方向に横並び状態になるように構成されている。
変形例１の構成では、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５のそれぞれの入口側と出口側の配管を短く、単純化でき、第２ブロック１８の空きスペースを小さくして第２ブロック１８のスペースを有効に使うことができ、第２ブロック１８及び
固体酸化物形燃料電池システムを小型化するのに有利である。
なお、変形例１の構成では、水添脱硫器３と第１ブロック１７との間に位置する伝熱抑制層１９に用いる断熱材に、空気熱交換器５と第１ブロック１７との間に位置する伝熱抑制層１９に用いる断熱材よりも断熱性能に優れた断熱材を用いたり、内部排ガス熱交換器８と水添脱硫器３との熱交換効率が、内部排ガス熱交換器８と空気熱交換器５との熱交換効率よりも悪くなるように、内部排ガス熱交換器８と水添脱硫器３の間隔を内部排ガス熱交換器８と空気熱交換器５の間隔よりも大きくしたり、内部排ガス熱交換器８と水添脱硫器３の少なくともどちらか一方の形状を工夫したり、水添脱硫器３の表面を断熱材で覆ったりして、水添脱硫器３の温度が適温よりも高くなり過ぎないように構成することが望ましい。
（変形例２）
次に、実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例２について図３ａと図３ｂを参照して説明する。図３ａは、本発明の実施の形態１の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムにおける第２ブロックが配置されている部分での横断面の一例を模式的に示した横断面図である。図３ｂは、本発明の実施の形態１の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムを、原料ガス、空気、排ガスの各経路と、改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路が分かるように縦に切断した縦断面の一例を模式的に示した縦断面図に、原料ガス、空気、排ガス、改質ガスの流れる方向を示す矢印を書き加えた説明図である。
実施の形態１の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した実施の形態１の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成と比較して、第２ブロック１８の構成が異なっている。
実施の形態１の変形例２に係る第２ブロック１８は、内部排ガス熱交換器８が、空気熱交換器５と水添脱硫器３との間に配置されている点と、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５が、互いに熱交換可能に隣接して配置され、内部排ガス熱交換器８及び水添脱硫器３が、互いに熱交換可能に隣接して配置されている点と、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５が水平方向に横並び状態になるように構成されている点では、変形例１と同じであるが、変形例１では、筐体が略直方体形状の第２ブロック１８の長方形の上面または下面の長辺方向に、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５が横並び状態であったのに対し、変形例２では、第２ブロック１８の長方形の上面または下面の短辺方向に、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５が横並び状態になっている。
変形例２の構成では、変形例１の構成よりも、水添脱硫器３、内部排ガス熱交換器８および空気熱交換器５の外観形状が薄く長くなり、熱交換に有効な面の面積が広くなることにより、水添脱硫器３の脱硫温度、空気熱交換器５で加熱される空気の予熱温度を早く均一に高めることができる。
（変形例３）
次に、実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例３について図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施の形態１の変形例３に係る固体酸化物形燃料電池システムを、原料ガス、空気、排ガスの各経路と、改質器で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路が分かるように縦に切断した縦断面の一例を模式的に示した縦断面図に、原料ガス、空気、排ガス、改質ガスの流れる方向を示す矢印を書き加えた説明図である。
実施の形態１の変形例３に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成と比較して、第２ブロック１８の構成が異なっている。
実施の形態１の変形例３に係る第２ブロック１８は、内部排ガス熱交換器８及び空気熱交換器５が、互いに熱交換可能に隣接して配置され、内部排ガス熱交換器８及び水添脱硫器３が、互いに熱交換可能に隣接して配置されている点では、実施の形態１と同じであるが、実施の形態１では、下から上に向かって、空気熱交換器５、内部排ガス熱交換器８、水添脱硫器３の順に上下方向に縦並び状態になるように配置したのに対して、変形例３では、第２ブロック１８内の重力方向の下部に、内部排ガス熱交換器８を配置し、第２ブロック１８内の重力方向の上部に、水添脱硫器３と空気熱交換器５とが水平方向に横並び状態になるように構成されている。
変形例２の固体酸化物形燃料電池システムは、内部排ガス熱交換器８が、第１ブロック１７と、空気熱交換器５及び水添脱硫器３との間で、空気熱交換器５及び水添脱硫器３と熱交換可能に配置されているものである。
上記構成により、加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇することを有効に利用して、内部排ガス熱交換器８を介して、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの排熱を、空気熱交換器５と水添脱硫器３の両方に効率よく伝えることができるため、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器４に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器３による原料ガスの水添脱硫とに、排ガスの排熱を有効に利用することができる。
また、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４の配管を内部排ガス熱交換器８と熱交換可能に配置した場合は、空気熱交換器５から流出した空気が、内部空気経路２４の配管を通過する時に、内部排ガス熱交換器８との熱交換で、さらに加熱される。
同様に、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４を内部排ガス熱交換器８と熱交換可能に配置した場合は、水添脱硫器３から流出した脱硫後の原料ガスが、脱硫後原料ガス経路１４の配管を通過する時に、内部排ガス熱交換器８との熱交換で、さらに加熱される。
また、伝熱抑制層１９を適切に形成して、第１ブロック１７の筐体から第２ブロック１８の筐体を介して内部排ガス熱交換器８に伝わる熱を、内部排ガス熱交換器８を介して、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気の加熱（予熱）と、改質器４に供給される硫黄成分が除去された原料ガスの加熱（予熱）と、水添脱硫器３による原料ガスの水添脱硫とに、有効に利用することができ、その場合は、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間隔を比較的狭くしたり、伝熱抑制層１９に比較的断熱性に劣る材料を使用したりすることができる。
なお、内部排ガス熱交換器８の下面が第２ブロック１８の筐体と接触している場合は、内部排ガス熱交換器８の下面側から無駄に放熱することを抑制するために、第２ブロック１８の筐体における内部排ガス熱交換器８の下面と接触する部分の温度が、内部排ガス熱交換器８の下面側の表面温度よりも低くならないようにすることが望ましい。
また、内部排ガス熱交換器８と熱交換する空気熱交換器５の温度が水添脱硫器３の適温よりも高い場合は、水添脱硫器３と内部排ガス熱交換器８とを熱交換可能に配置せずに、水添脱硫器３と空気熱交換器５とを熱交換可能に配置しても構わない。その場合は、例え
ば、下から上に向かって、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５、水添脱硫器３の順に上下方向に縦並び状態になるように配置することができる。
（実施の形態２）
次に、図５と図６を参照して本発明の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法の実施の形態（実施の形態２）について説明する。
本実施の形態（実施の形態２）に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法によって製造される固体酸化物形燃料電池システムの構成は、上述した実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成と同様である。
つまり、本実施の形態（実施の形態２）は、上述した実施の形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造方法の具体例である。
図５は、本発明の実施の形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの第１ブロックと第２ブロックとが接続されていない（第１ブロックと第２ブロックとを接続しようとしている）状態の外観の一例を示す外観斜視図である。図６は、本発明の実施の形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの製造工程の一例を各工程毎の側面図で示した工程図である。
なお、図５に示す第２ブロック１８では、リサイクル経路１６の配管が第２ブロック１８の筐体を貫通しているが、リサイクル経路１６の配管が第２ブロック１８の筐体を貫通しない構成でも構わない。
固体酸化物形燃料電池システムは、発電時の温度が一般的に６００〜８００℃程度と高いため、伝熱を抑制できる構成と組立方法が求められる。
図６の（１）に示す工程では、基礎部材上に、板状の断熱材からなる断熱層２０を配置し、その断熱層２０の上に、発電部、燃焼部２３等が容器で覆われた形態の固体酸化物形燃料電池６に改質器４と水添脱硫のリサイクル経路１６とを取り付けたものを配置する。
図６の（２）に示す工程では、図６の（１）に示す、改質器４と水添脱硫のリサイクル経路１６とを取り付けた固体酸化物形燃料電池６に、排ガス経路の内部接続部２１ｂの接続口、空気経路の内部接続部２１ａの接続口、改質器４における脱硫後原料ガス経路１４部分の配管を通す貫通孔、リサイクル経路１６を構成する配管を通す貫通孔を、上面（天井面）に有する容器（第１ブロック１７の筐体）を被せる。この工程により、温度域が例えば６００〜８００℃となる第１ブロック１７ができ上がる。
図６の（３）に示す工程では、第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続部の接続口同士の位置合わせを行った後に、図６の（２）に示す第１ブロック１７に、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３を内蔵し筐体の底面（下面）から内部排ガス熱交換器８と連通した内部排ガス経路１１の配管、空気熱交換器５と連通した内部空気経路２４の配管、水添脱硫器３と連通した脱硫後原料ガス経路１４の配管をそれぞれ下方に突出させた第２ブロック１８をセット（第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続部（排ガス経路の内部接続部２１ｂ、空気経路の内部接続部２１ａ、脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃ）の接続口同士を接続）する。なお、配管同士の接続は溶接等により行う。
なお、第２ブロック１８は、第２ブロック１８の筐体の上面（天井面）から、内部排ガス熱交換器８と連通し外部排ガス経路１２と排ガス経路の外部接続部２２ｂで接続するた
めの排ガスの出口配管、空気熱交換器５と連通し外部空気経路１０と空気経路の外部接続部２２ａで接続するための空気の入口配管、水添脱硫器３と連通し外部原料ガス経路１と原料ガス経路の外部接続部２２ｃで接続するための原料ガスの入口配管を、それぞれ上方に突出させている。
図６の（４）に示す工程では、第１ブロック１７の筐体の上面（天井面）と第２ブロック１８の筐体の下面（底面）とで挟まれた部分に伝熱抑制層１９を設けた後、第１ブロック１７の筐体と第２ブロック１８の筐体の側面と上面（天井面）を板状の断熱材からなる断熱層２０で覆う、
伝熱抑制層１９は、第１ブロック１７の筐体の上面（天井面）と第２ブロック１８の筐体の下面（底面）とで挟まれた部分において、空気の対流が起きないように、第１ブロック１７の筐体の上面（天井面）と第２ブロック１８の筐体の下面（底面）とに隙間無く密着していることが望ましい。
図６の（５）に示す工程では、図６の（４）に示す伝熱抑制層１９と断熱層２０で覆われた第１ブロック１７と第２ブロック１８との接合体（接続体）に、筐体（容器）７を被せる。
筐体（容器）７は、その上面（天井面）に、内部排ガス熱交換器８と連通し外部排ガス経路１２と排ガス経路の外部接続部２２ｂで接続するための排ガスの出口配管、空気熱交換器５と連通し外部空気経路１０と空気経路の外部接続部２２ａで接続するための空気の入口配管、水添脱硫器３と連通し外部原料ガス経路１と原料ガス経路の外部接続部２２ｃで接続するための原料ガスの入口配管、リサイクル経路１６を構成する配管のそれぞれを通す貫通孔を有している。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法によれば、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロック１８を第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続を行うことができ、第１ブロック組立製造ラインでは、組立を下から順に行うことができ、モジュールの生産性が向上する。
なお、本実施の形態では、改質器４、燃焼部２３及び固体酸化物形燃料電池６の外側に第１ブロック１７の筐体を配置し、第１ブロック１７の重力方向の上方に第２ブロック１８を配置する工程を備える製造方法について説明したが、この製造方法に限定するものではなく、他の方法で製造しても構わない。
例えば、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３の外側に第２ブロック１８の筐体を配置し、第２ブロック１８の重力方向の上方に第１ブロック１７を配置する工程を備える製造方法であってもよい。
この場合は、サブ製造ラインで組み立てられた第１ブロック１７を第２ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続を行うことができ、第２ブロック組立製造ラインでは、組立を下から順に行うことができ、モジュールの生産性が向上する。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池６と、発電で消費されずに固体酸化物形燃料電池６から排出された燃料を、空気と混合して燃焼する燃焼部２３と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する内部排ガス熱交換器８と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池６に供給される空気を加熱する空気熱交換器５と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、供
給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器３と、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスの熱を利用して、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスから固体酸化物形燃料電池６に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器４とを備えた固体酸化物形燃料電池システムの製造方法であって、固体酸化物形燃料電池６、改質器４及び燃焼部２３を内蔵した第１ブロック１７と、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３を内蔵した第２ブロック１８とを接続するブロック間接続工程（図６の（３）に示す工程）と、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間に、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層１９を設ける工程（図６の（４）に示す工程）と、を有するものである。
上記方法で、固体酸化物形燃料電池システムの構成要素を、比較的高い温度領域で動作させる（動作する）ものと、比較的低い温度領域で動作させる（動作する）ものとに分けて、それぞれブロック化して製造すると共に、両ブロック間の伝熱が抑制されるように両ブロック間に伝熱抑制層１９を設けたことにより、具体的には、発電時に概ね６００〜８００℃の温度域で動作する燃焼部２３と固体酸化物形燃料電池６と改質器４とで第１ブロック１７を構成し、それより低温域で動作する空気熱交換器５と水添脱硫器３と内部排ガス熱交換器８で第２ブロック１８を構成したことにより、各構成要素の温度ムラが少なくなり、水添脱硫器３によって燃料ガスの脱硫を行う固体酸化物形燃料電池システム運転時の温度効率を高め、システムの効率化を図ることができると共に、２つのブロックに分けて構成したため、製造ラインでの燃料電池システムの組み立て性や生産性を向上できる。
例えば、製造ラインにおいて、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロック１８を第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロック１７と第２ブロック１８との接続を行った後に、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間に断熱材等からなる伝熱抑制層１９を配置するなどして、第１ブロック１７と第２ブロック１８との間に伝熱抑制層１９を設ける（形成する）ことで、組立性と生産性を向上することができる。
また、サブ製造ラインで第２ブロック１８の組立が完成した時点で、組立検査を行うことができるので仮に不具合が見つかった場合でも、第２ブロック１８の組み直しで解決することができるので、組み直しの時間が短縮でき、生産性を向上することができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、図６の（３）に示す、第１ブロック１７と第２ブロック１８とを接続するブロック間接続工程において、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料を改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とを、第１ブロック１７と第２ブロック１８とに挟まれる箇所で接続する。
第１ブロック１７と第２ブロック１８との間で、燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを内部排ガス熱交換器８に導く内部排ガス経路１１と、空気熱交換器５を通過した空気を固体酸化物形燃料電池６に供給する内部空気経路２４と、水添脱硫器３により硫黄成分が除去された原料ガスを改質器４に供給する脱硫後原料ガス経路１４とを、それぞれ配管接続する必要があるが、それらのブロック間の接続配管が、第１ブロック１７（の筐体）と第２ブロック１８（の筐体）とで挟まれた部分に配置され、ブロック間の接続配管を、第１ブロック１７（の筐体）と第２ブロック１８（の筐体）における互いに対向する面以外の面に露出させず、ブロックの外に露出する配管の長さを短くできるので、各経路を短くでき、各経路の通路抵抗を小さく、また各経路の熱のロスを少なくできる。また、固体酸化物形燃料電池システムをコンパクトに構成できる。また、各経路の接続条件（環境）に共通点が多いので、組立性と生産性を向上させることができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、図６の（３）に示すブロック間接続工程の前に、固体酸化物形燃料電池６、改質器４及び燃焼部２３の外側に第１ブロック１７の筐体を配置、もしく内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３の外側に第２ブロック１８の筐体を配置してから、第１ブロック１７と第２ブロック１８のどちらか先に配置した方の重力方向の上方に、第１ブロック１７と第２ブロック１８のどちらか他方を配置する配置工程を有する。
これにより、第１ブロック１７と第２ブロック１８とは、重力方向に上下に並ぶように配置されるので、重力方向に上下に並ぶように配置しない場合と比較して、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくできる。
また、先に配置する（下側に配置する）ブロックは、ブロックに内蔵する構成要素の外側にブロックの筐体を配置する手法で組み立てるので、組立性と生産性に優れる。
また、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置する場合は、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロック１８を第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、逆に、第１ブロック１７を第２ブロック１８の重力方向の上方に配置する場合は、サブ製造ラインで組み立てられた第１ブロック１７を第２ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第１ブロック１７と第２ブロック１８を重力方向に上下に並ぶように配置することで、組立性と生産性を向上することができる。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、図６の（３）に示すブロック間接続工程の前に、固体酸化物形燃料電池６、改質器４及び燃焼部２３の外側に第１ブロック１７の筐体を配置してから、第１ブロック１７の重力方向の上方に、内部排ガス熱交換器８、空気熱交換器５及び水添脱硫器３が内蔵された第２ブロック１８を配置する配置工程を有する。
この製造方法により、第２ブロック１８は、第１ブロック１７の重力方向の上方に配置されることとなる。
加熱されたガスは膨張し密度が小さくなって上昇するので、第１ブロック１７内の燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスを第２ブロック１８内の内部排ガス熱交換器８に効率よく導くことができ、また、第１ブロック１７で発生する熱を第２ブロック１８に効率よく伝熱させることができる。
また、第１ブロック１７は第２ブロック１８よりも重いこと、また、第１ブロック１７の設置面積は第２ブロック１８よりも広いこと、第２ブロック１８の水添脱硫器３に原料ガスを供給する外部原料ガス経路１に第１ブロック１７の改質器４で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路１６を接続する場合の作業性から、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置した方が、第１ブロック１７を第２ブロック１８の重力方向の上方に配置するよりも都合が良い。
また、サブ製造ラインで組み立てられた第２ブロック１８を第１ブロック組立製造ラインに組み合込んで、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置することで、組立性と生産性を向上することができる。
（実施の形態３）
次に、図７ａから図７ｅを参照して本発明の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法の実施の形態（実施の形態３）について説明する。
通常、固体酸化物形燃料電池システムを含めた燃料電池システムでは、設置面積を小さくすることが求められる。また、メンテナンスに当たっては外装パネルを外すことを最小限にすること、及び外したパネルから全部品を交換できることが求められる。
実施の形態３は、上述した実施の形態１、実施の形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの外部配管の接続方法の具体例である。
図７ａは、本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの外部配管接続を含めた構成の縦断面の一例を示した説明図である。
図７ａに示すように、筐体（容器）７の上面（天井面）から上方に突出した原料ガス経路の外部接続部２２ｃにおいて、水添脱硫器３と連通した原料ガスの入口配管が、途中に昇圧部２を備えた外部原料ガス経路１と接続される。また、昇圧部２の手前（昇圧部２よりも原料ガスの流れの上流側）で、筐体（容器）７の上面（天井面）から上方に突出したリサイクル経路１６を構成する配管が外部原料ガス経路１に接続される。
外部原料ガス経路１を流れる原料ガスは、リサイクル経路１６との合流部で、リサイクル経路１６を流れてきた改質ガスと混合され、昇圧部２で昇圧されてから原料ガス経路の外部接続部２２ｃを経て水添脱硫器３に流入し、水添脱硫器３で水添脱硫され、水添脱硫器３を通過中に加熱され、脱硫後原料ガス経路の内部接続部２１ｃを経て改質器４に供給され、改質器４で改質され、その改質ガスが固体酸化物形燃料電池６に発電用の燃料として供給される。
また、筐体（容器）７の上面（天井面）から上方に突出した空気経路の外部接続部２２ａにおいて、空気熱交換器５と連通した空気の入口配管が、空気ブロワ（図示せず）により空気を供給する外部空気経路１０と接続される。
空気ブロワ（図示せず）により外部空気経路１０を流れてきた空気（外気）は、空気経路の外部接続部２２ａを経て空気熱交換器５に流入し、空気熱交換器５を通過中に加熱され、空気経路の内部接続部２１ａを経て固体酸化物形燃料電池６に供給され、固体酸化物形燃料電池６に供給された空気に含まれる酸素が、水素を多く含む改質ガス（燃料）と共に発電に用いられる。
また、筐体（容器）７の上面（天井面）から上方に突出した排ガス経路の外部接続部２２ｂにおいて、内部排ガス熱交換器８と連通した排ガスの出口配管が、外部排ガス経路１２と接続される。外部排ガス経路１２の排ガスの流れの下流側は外部排ガス熱交換器９に接続され、外部排ガス熱交換器９の下側には外部排ガス熱交換器９で排ガスに含まれる水蒸気が凝縮したドレン水を排水するためのドレン水経路１３が接続されている。
燃焼部２３の燃焼により発生する排ガスは、排ガス経路の内部接続部２１ｂを経て内部排ガス熱交換器８に流入し、内部排ガス熱交換器８通過中に冷却され、排ガス経路の外部接続部２２ｂと外部排ガス経路１２を経て外部排ガス熱交換器９に流入し、外部排ガス熱交換器９通過中に冷却され、外部排ガス熱交換器９で排ガスに含まれる水蒸気が凝縮されて、その凝縮水が分離されて、排気される。外部排ガス熱交換器９で生じた凝縮水はドレンとしてドレン水経路１３から排水される。
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法は、第１ブロック１７と第２ブロック１８の外周を断熱層２０で覆う工程（図６の（４）を参照）と、第２ブロック１８の上方に上下方向に延びて断熱層２０及び筐体（容器）７の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂに
、第２ブロック１８へ原料ガスを供給する原料ガス供給経路としての外部原料ガス経路１、第２ブロック１８へ空気を供給する空気供給経路としての外部空気経路１０、第２ブロック１８から排ガスを排出する排ガス排出経路としての外部排ガス経路１２を接続する外部接続工程（図７ａを参照）とを有する。
原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂを固体酸化物形燃料電池システムの上面（天井面）または下面（底面）から上下方向に延びるように上下に突出させた方が、原料ガス経路の外部接続部２２ｃ、空気経路の外部接続部２２ａ、排ガス経路の外部接続部２２ｂを固体酸化物形燃料電池システムの側面から横出しする場合（図７ｅ参照）よりも、固体酸化物形燃料電池システムの設置面積を小さくすることができる。
また、外部接続口を上から出した方が、下から出す場合よりも、第２ブロック１８を第１ブロック１７の重力方向の上方に配置することと、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
なお、第２ブロック１８の水添脱硫器３に原料ガスを供給する原料ガス供給経路としての外部原料ガス経路１に第１ブロック１７の改質器４で生成された改質ガスの一部を戻すためのリサイクル経路１６を接続する場合は、リサイクル経路１６が第１ブロック１７の上面から上方に延びて第２ブロック１８の横の断熱層２０を上下方向に貫通して、リサイクル経路の外部接続部２２ｄが、固体酸化物形燃料電池システムの筐体（容器）７の上面（天井面）から上に突出するように設けると、接続の作業性、メンテナンス性の点で、好都合である。
図７ｂは、本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの外部配管接続を含めた構成の縦断面の他の例を示した説明図である。
図７ｂに示す例では、リサイクル経路１６と、リサイクル経路１６が外部原料ガス経路１に接続する位置が、図７ａに示す例と異なっているが、その他の構成は図７ａに示す例と同様である。
図７ｂに示す例の第１ブロック１７の外側でリサイクル経路１６を構成する配管は、第１ブロック１７の上面（天井面）から上方に突出した後に向きを変えて第１ブロック１７の側面の横を通って筐体（容器）７の下面（底面）となる基礎部材から下方に突出している。
そのため、図７ｂに示す例では、昇圧部２の手前（昇圧部２よりも原料ガスの流れの上流側）で、筐体（容器）７の下面（底面）となる基礎部材から下方に突出したリサイクル経路の外部接続部２２ｄを通るリサイクル経路１６を構成する配管が外部原料ガス経路１に接続される。
図７ｃは、本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの上部の配管接続の一例を平面図と正面図で示した説明図である。図７ｄは、本発明の実施の形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの上部の配管接続の他の例を平面図と正面図で示した説明図である。
図７ｃは本発明の実施の形態３の配管接続（配管上出し）を行った場合の固体酸化物形燃料電池システムの配管接続方法の例１を示しており、図７ｄは、本発明の実施の形態３の配管接続（配管上出し）を行った場合の固体酸化物形燃料電池システムの配管接続方法の例２を示している。図７ｅは配管を横出しにした場合の例である。
図７ｅのように配管を横出しにすると、本発明の実施の形態２のように下から順に組み立てていく構成が出来ないうえ、フレームが邪魔になってメンテナンスを行うことが出来ない。また、配管を曲げて連結する必要があるので、設置面積が大きくなる。
一方、図７ｃまたは図７ｄに示すように配管上出しにした場合、本発明の実施の形態２のように下から順に組み立てていくことが出来、メンテナンスも可能であり、設置面積も小さくすることが可能である。
なお、本実施の形態では、配管を上方から引き出す構成について説明したが、これに限定されない。例えば、図７ｂのように配管を下方から引き出す構成にしても構わず、その場合は、配管を上方から引き出す場合よりも若干、作業性が悪くなるが、ほぼ同様の効果を奏することができる。
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の水添脱硫器を内臓する固体酸化物形燃料電池システムは、温度域の近い部分をブロック化することで、適切な温度範囲となるように管理することができる構成である。また、発電モジュールの組立性、システムのメンテ性も考慮されており、水添脱硫器を内臓する固体燃料電池システムにおいて幅広く適用できる。
３ 水添脱硫器
４ 改質器
５ 空気熱交換器
６ 固体酸化物形燃料電池
８ 内部排ガス熱交換器
１１ 内部排ガス経路
１４ 脱硫後原料ガス経路
１７ 第１ブロック
１８ 第２ブロック
１９ 伝熱抑制層
２０ 断熱層
２１ａ 空気経路の内部接続部
２１ｂ 排ガス経路の内部接続部
２１ｃ 脱硫後原料ガス経路の内部接続部
２２ａ 空気経路の外部接続部
２２ｂ 排ガス経路の外部接続部
２２ｃ 原料ガス経路の外部接続部
２３ 燃焼部
２４ 内部空気経路

Claims (14)

  1. 供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
    発電で消費されずに前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、
    前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する排ガス熱交換器と、
    前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、
    前記排ガスの熱を利用して、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器と、
    前記排ガスの熱を利用して、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスから前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
    を備え、
    前記改質器及び前記燃焼部は、第１ブロックの内部に収容され、
    前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器は、第２ブロックの内部に収容され、
    前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層を有する、固体酸化物形燃料電池システム。
  2. 前記固体酸化物形燃料電池は、前記第１ブロックの内部に収容されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  3. 前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料ガスを前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とは、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の前記伝熱抑制層を貫通している、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  4. 前記第１ブロックと前記第２ブロックとは、重力方向に上下に並ぶように配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  5. 前記第２ブロックは、前記第１ブロックの重力方向の上方に配置されている、請求項４項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  6. 前記第１ブロックまたは前記第２ブロックを外気から断熱する断熱層の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部が、それぞれ、前記第２ブロックの上方に上下方向に延びるように配置されている、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  7. 前記排ガス熱交換器及び前記空気熱交換器は、互いに熱交換可能に隣接して配置され、
    前記排ガス熱交換器及び前記水添脱硫器は、互いに熱交換可能に隣接して配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  8. 前記排ガス熱交換器は、前記空気熱交換器と前記水添脱硫器との間に配置されている、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  9. 前記排ガス熱交換器は、前記第１ブロックと、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器との間で、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器と熱交換可能に配置されている、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  10. 供給された燃料と空気とを用いて発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
    発電で消費されずに前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料を空気と混合して燃焼する燃焼部と、
    前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスの熱を放熱する排ガス熱交換器と、
    前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を加熱する空気熱交換器と、
    前記排ガスの熱を利用して、供給された原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器と、
    前記排ガスの熱を利用して、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記固体酸化物形燃料電池に供給する燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
    を備えた固体酸化物形燃料電池システムの製造方法であって、
    前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部を内蔵した第１ブロックと、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器を内蔵した第２ブロックとを接続するブロック間接続工程と、
    前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間に、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの間の熱伝導を抑制する伝熱抑制層を設ける工程と、
    を有する、固体酸化物形燃料電池システムの製造方法。
  11. 前記ブロック間接続工程において、前記燃焼部の燃焼により発生する排ガスを前記排ガス熱交換器に導く排ガス経路と、前記空気熱交換器を通過した空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気経路と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された原料を前記改質器に供給する脱硫後原料ガス経路とを、前記第１ブロックと前記第２ブロックとに挟まれる箇所で接続する、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法。
  12. 前記ブロック間接続工程の前に、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部の外側に前記第１ブロックの筐体を配置、もしくは前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器の外側に前記第２ブロックの筐体を配置してから、前記第１ブロックと前記第２ブロックのどちらか先に配置した方の重力方向の上方に、前記第１ブロックと前記第２ブロックのどちらか他方を配置する配置工程を有する、請求項１０または１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法。
  13. 前記ブロック間接続工程の前に、前記固体酸化物形燃料電池、前記改質器及び前記燃焼部の外側に前記第１ブロックの筐体を配置してから、前記第１ブロックの重力方向の上方に、前記排ガス熱交換器、前記空気熱交換器及び前記水添脱硫器が内蔵された前記第２ブロックを配置する配置工程を有する、請求項１０または１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法。
  14. 前記第１ブロックと前記第２ブロックの外周を断熱層で覆う工程と、
    前記第２ブロックの上方に上下方向に延びて前記断熱層の外側に露出する原料ガス経路の外部接続部、空気経路の外部接続部、排ガス経路の外部接続部に、前記第２ブロックへ原料ガスを供給する原料ガス供給経路、前記第２ブロックへ空気を供給する空気供給経路、前記第２ブロックから排ガスを排出する排ガス排出経路を接続する外部接続工程と、
    を有する請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池システムの製造方法。
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